海南省萬泉河流域水庫群防洪優(yōu)化調(diào)度方案研究

孫 熙 李程純子

（河南省水利勘測設(shè)計研究有限公司，鄭州 450000）

0 引 言

海南博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū)（簡稱先行區(qū)）位于海南島東海岸，瓊海市嘉積區(qū)和博鰲論壇核心區(qū)之間，橫跨萬泉河兩岸。2013 年2 月28 日，國務院批復同意設(shè)立海南博鰲樂城國際醫(yī)療旅游先行區(qū)，為國家級新區(qū)，其建設(shè)發(fā)展已經(jīng)成為國家戰(zhàn)略。先行區(qū)規(guī)劃立足國內(nèi)、放眼國際、面向未來，定位為參與“一帶一路”國家發(fā)展戰(zhàn)略的新平臺、國際一流的醫(yī)療旅游目的地、國家級醫(yī)療旅游先行示范區(qū)、海南國際旅游島建設(shè)的重要支撐點。先行區(qū)位于萬泉河下游河道兩岸，頻繁發(fā)生暴雨洪水及風暴潮災害，在這樣一個區(qū)域打造新區(qū)，必須首先解決好水安全保障問題。

水工程防洪調(diào)度是在保證水工程自身及保護對象防洪安全的前提下，兼顧興利目標來進行，一般調(diào)度時間緊急、時效性要求高，防洪調(diào)度相對復雜，可挖掘的潛力也是顯著的。按調(diào)度對象，防洪調(diào)度可分為單庫、河庫、庫群及流域4 種類型[1]。目前大多數(shù)水庫都是單庫或河庫聯(lián)合的防洪調(diào)度，庫群調(diào)度以實際庫水位或入庫流量為判別條件，采取分級固定泄量或補償調(diào)度方式[2]，預報條件較好的庫群在調(diào)度時以一定預見期內(nèi)的預報入庫流量或預報流量與防洪控制點約束水位結(jié)合作為水庫泄流判別條件。庫群防洪調(diào)度還需要考慮水庫間水力聯(lián)系、防洪庫容分配，流域防洪調(diào)度則以流域防洪效益最大為目標，綜合考慮水庫、蓄滯洪區(qū)、閘、分洪道等多種水工程的聯(lián)合調(diào)度，但仍需就洪水預報預見期及精度的提高、水庫汛限水位分期與動態(tài)控制的研究、流域水工程防洪聯(lián)合調(diào)度模型的建立與求解等開展工作。目前，部分流域正在進行庫群、流域防洪聯(lián)合調(diào)度方面的探索與嘗試[1]。

面對復雜的水情和嚴峻防汛形勢，長江流域在水庫群聯(lián)合調(diào)度研究上取得了顯著成效，2018年納入40座水庫，構(gòu)建流域?qū)用娴穆?lián)合調(diào)度體制，充分考慮上下游、干支流的洪水關(guān)系，研究水庫不同任務、不同時期的蓄泄水方案，科學精細調(diào)度，通過峰前預泄、迎洪削峰、錯峰攔洪、峰后退水騰庫等措施，顯著發(fā)揮防洪減災效益[3-6]?；春恿饔?qū)λ搌喓⒚飞降?座對淮河干流中下游防洪影響較大的大型水庫實施聯(lián)合調(diào)度，合理控泄、攔洪錯峰，減輕淮河干流及相關(guān)支流防洪壓力，實現(xiàn)水庫防洪目標，保障流域防洪安全。

萬泉河流域上游是海南省的暴雨中心之一，暴雨強度大、歷時短、洪量集中，先行區(qū)位于萬泉河下游，是上游洪水的承接地，防洪任務十分艱巨。為了提高先行區(qū)防洪標準，同時減少對先行區(qū)外區(qū)域的影響，水安全保障方案按照“上蓄、中疏、下排”的原則，通過上游牛路嶺水庫、紅嶺水庫聯(lián)合調(diào)度，中游加積壩重建，下游堤防新建，構(gòu)建萬泉河流域“庫堤結(jié)合”的防洪工程體系。先行區(qū)內(nèi)堤防按照20年一遇防洪標準修建，在先行區(qū)外通過紅嶺水庫和牛路嶺水庫聯(lián)合調(diào)度等措施，將先行區(qū)防洪標準由20年一遇提高到50年一遇，以保障先行區(qū)城市防洪安全和人民生命財產(chǎn)安全。為此開展水庫等水工程防洪聯(lián)合調(diào)度及工程方案研究，結(jié)合臺風預報，研究通過水庫分級控泄、增設(shè)判別條件、預泄、汛限水位動態(tài)控制等多種方法，建立河道（堤防）、水庫群（閘）聯(lián)合調(diào)度模型，優(yōu)化水庫調(diào)度，布局流域防洪體系。

1 萬泉河流域防洪工程及防洪形勢

1.1 防洪工程概況

萬泉河位于海南島東南偏東部，是海南島第三大河流，發(fā)源于瓊中縣五指山風門嶺，有南北兩源。南源乘坡河，為萬泉河干流，北源定安河（又名大邊河），為萬泉河最大的一級支流，南北源在瓊海合口咀匯合后始稱萬泉河。乘坡河流域面積1 387 km2，定安河流域面積1 222 km2。兩河匯合后，向東流經(jīng)石壁、龍江、嘉積，然后折向東南至博鰲港入海，合口咀至入海口54 km。萬泉河干流全長157 km，流域面積3 693 km2。

合口咀上游31 km 處乘坡河上建有牛路嶺水庫，水庫控制流域面積1 236 km2，占乘坡河流域面積的89.1%，占萬泉河流域面積的33.5%，是以發(fā)電為主、兼顧防洪、供水等綜合利用的水利工程，為多年調(diào)節(jié)水庫。水庫洪水標準采用100 年一遇設(shè)計，1 000 年一遇+20%校核。死水位80.00 m，正常蓄水位和汛限水位均為105.00 m（56 榆林基面，下同），興利庫容4.17億m3，電站總裝機容量8萬kW。設(shè)計洪水位107.94 m，校核洪水位112.04 m，總庫容7.78億m3，調(diào)洪庫容2.48 億m3。水庫建成后調(diào)度方案有所調(diào)整，目前執(zhí)行2014年批復的調(diào)度方案，其防洪調(diào)度是按控泄運行，對萬泉河下游洪水具有一定調(diào)控作用。

2014 年在大邊河中游建成紅嶺水庫，距萬泉河合口咀上游33 km，距瓊中縣城約30 km，控制流域面積745 km2，占大邊河流域面積的61%，占總流域面積的20%，是以城鄉(xiāng)供水和農(nóng)業(yè)灌溉為主，結(jié)合防洪，兼顧發(fā)電等綜合利用水利樞紐工程，為多年調(diào)節(jié)水庫。水庫洪水標準采用500 年一遇設(shè)計，2 000 年一遇校核。死水位135.00 m，正常蓄水位168.00 m，汛期限制水位167.00 m，總庫容6.62 億m3，防洪庫容0.96 億m3。水庫建成后，結(jié)合下游城鎮(zhèn)堤防的建設(shè)，以大邊河為主的洪水通過紅嶺水庫的防洪調(diào)度，可使下游嘉積鎮(zhèn)、博鰲鎮(zhèn)的防洪能力從20年一遇提高至30年一遇。

加積壩樞紐工程（以下簡稱加積）距萬泉河出海約24 km，具有發(fā)電、供水及旅游等功能，正常蓄水位7.40 m，20 年一遇設(shè)計洪水位12.83 m，100 年一遇校核洪水位13.57 m，總庫容6 270萬m3。加積水文站位于加積壩下游1 km。

1.2 防洪形勢

萬泉河流域上游兩大水庫控制流域面積占流域總面積的53.7%，但受限于水庫主要功能的定位，不能完全發(fā)揮其防洪作用，上游水庫工程現(xiàn)狀調(diào)控洪水能力無法滿足流域經(jīng)濟社會發(fā)展對防洪保安的要求。特別是牛路嶺水庫建于1979年，未明確承擔下游防洪任務，其所在乘坡河的洪水未得到有效控制?，F(xiàn)狀萬泉河下游防洪能力較低，不足10年一遇。

萬泉河下游河道主要防洪保護對象先行區(qū)，按規(guī)劃防洪標準需達到50 年一遇?；谙刃袇^(qū)存在的防洪薄弱環(huán)節(jié)，首先研究通過建設(shè)堤防工程使其達到20年一遇，進一步研究牛路嶺、紅嶺水庫聯(lián)合調(diào)洪和其他措施，使防洪保護對象防洪標準由20年一遇提高至50年一遇。

在不改變水庫規(guī)模、不影響工程安全的前提下，研究萬泉河流域現(xiàn)有水庫群聯(lián)合優(yōu)化調(diào)度的思路和方法，提出水庫群防洪聯(lián)合調(diào)度原則，結(jié)合水閘、分洪道、堤防等其他工程措施，進一步提高下游河道防洪標準。以加積水文站為防洪控制斷面，運用臺風預報、預泄、分級控泄、適時降低汛限水位等方法，優(yōu)化和精細化防洪調(diào)度，包括判定蓄泄時機和流量、調(diào)整調(diào)度判別條件，完善單個水庫調(diào)度方式，建立水庫群聯(lián)合防洪調(diào)度方案，充分發(fā)揮流域控制性水庫群的防洪效益。

2 水庫群防洪聯(lián)合調(diào)度方案研究

2.1 現(xiàn)狀調(diào)度方式

（1）牛路嶺水庫。當氣象預報水庫上游將發(fā)生強降雨，且水庫水位接近汛期限制水位105.00 m 時，提前預泄納洪，預泄流量一般不超過800 m3/s，水庫水位達到汛期限制水位后，根據(jù)水庫水位和入庫流量確定下泄流量。水庫調(diào)度方式見表1。

表1 牛路嶺水庫現(xiàn)狀洪水調(diào)度方式

（2）紅嶺水庫。紅嶺水庫承擔將萬泉河下游防洪標準由20 年一遇提高到30 年一遇的防洪任務，防洪高水位170.56 m，防洪庫容0.96 億m3。水庫水位達到汛期限制水位后，根據(jù)水庫水位和下游防洪控制斷面加積流量確定下泄流量。水庫調(diào)度方式見表2。

表2 紅嶺水庫現(xiàn)狀洪水調(diào)度方式

2.2 調(diào)度方式調(diào)整的可行性

2.2.1 水庫運用條件

牛路嶺水庫現(xiàn)狀根據(jù)入庫流量、庫水位進行判別控泄，未考慮結(jié)合下游洪水水情，沒有明確防洪任務。從水庫實際運行情況看，1994-2015年汛期多年平均運行水位為90.38 m，遠低于汛限水位105.00 m，即水庫汛期發(fā)電運行時，具有較大的蓄洪庫容；根據(jù)水庫特征水位復核，校核洪水位比現(xiàn)狀采用成果偏低約2.00 m，總庫容較大，有調(diào)整優(yōu)化泄流方式、挖掘水庫防洪潛力的可能性。考慮利用臺風、降雨、洪水預報信息，在洪水來臨前進行預泄，降低水位運行，洪水過后蓄至汛限水位，挖掘水庫防洪潛力。

2.2.2 預報信息的可利用分析

（1）臺風預報。臺風預報主要是對臺風路徑、臺風強度及風雨預報3方面預報，近年來，我國臺風路徑預報精度較高，預報準確率達到國際先進水平，臺風強度和臺風風雨預報精度一般。臺風生成監(jiān)測較為準確，采用臺風預報作為牛路嶺水庫調(diào)度的參考依據(jù)，對水庫防洪相對較為安全。同時為減少“過度預警”的影響，適當結(jié)合天氣預報。

對牛路嶺水庫5年一遇以上洪水（洪峰大于5 150 m3/s）共14場進行統(tǒng)計，其中11場洪水由臺風引起。根據(jù)牛路嶺水庫由臺風造成的11場大洪水分析，從臺風生成到牛路嶺產(chǎn)生洪峰至少有68 h。為便于與天氣預報銜接，牛路嶺水庫臺風預報預見期采用48 h。

若預報臺風產(chǎn)生或發(fā)生暴雨以上天氣系統(tǒng)，則水庫進入預泄降低水位運行狀態(tài)，若24 h天氣預報為暴雨以上天氣系統(tǒng)，則水庫應繼續(xù)預泄，降低水位運行，洪水過后蓄至汛限水位，挖掘水庫防洪潛力。同時兼顧洪水資源利用，盡可能減小對水庫興利效益的影響。

（2）洪水預報。牛路嶺水庫流域有牛路、乘坡、新中、中平、太平、長安6個雨量站，水庫水情自動測報系統(tǒng)測報范圍覆蓋壩址以上全流域，系統(tǒng)運行正常，數(shù)據(jù)報送準確及時可靠，其預報方式有自動和人工干預兩種。在2014 年、2015 年若干場洪水中，實測來水和預報值接近，預報精度較高。

通過統(tǒng)計實測雨峰出現(xiàn)時間與入庫洪峰發(fā)生時間，確定洪水預見期。通過分析1998 年以來20 余場次較大洪水降雨，其洪水預見期為2～14 h。由降雨形成洪水時間較短，防洪決策風險大。本次研究暫不考慮洪水預報，僅作為牛路嶺水庫防洪調(diào)度的輔助手段，在調(diào)度的實施過程中為指揮決策提供依據(jù)。

2.3 調(diào)度方式調(diào)整原則

牛路嶺水庫、紅嶺水庫防洪調(diào)度方式的調(diào)整原則：①牛路嶺水庫維持死水位、正常蓄水位不變，紅嶺水庫維持死水位、汛限水位、正常蓄水位不變；②維持水庫現(xiàn)有規(guī)模不變，不增加移民征遷，不影響工程安全。即水庫5年一遇水位、20年一遇水位、校核洪水位不超過原設(shè)計值；③盡量減少對水庫供水、發(fā)電等興利任務的影響；④調(diào)度方式盡可能簡單，具有可操作性。

2.4 調(diào)度方式調(diào)整思路

萬泉河下游防洪保護對象為先行區(qū)，河道洪水主要是來自加積水文站以上，選取加積斷面為防洪控制斷面。

在分析兩水庫入庫洪水、區(qū)間洪水與下游防洪控制斷面加積洪水組成關(guān)系的基礎(chǔ)上，考慮洪水的河道演進時間，通過控制上游兩座水庫的下泄洪水過程，有效削減下游加積洪峰流量，滿足先行區(qū)50年一遇防洪目標。

為使水庫防洪調(diào)度更加具有針對性、有效性，初步設(shè)置庫水位和下游加積面臨時刻流量為判別條件。在保證牛路嶺、紅嶺水庫現(xiàn)有征遷水位、工程規(guī)模不變的前提下，通過調(diào)整優(yōu)化兩水庫防洪調(diào)度方式，分析防洪保護對象達標的可能性及方案，再通過削峰效果及調(diào)整影響等綜合評價，提出相對合理的調(diào)度方案，實現(xiàn)防洪效益最大化、最優(yōu)化。

3 聯(lián)合調(diào)度方案研究

3.1 下游安全泄量

當加積洪水位低于9.00 m、相應流量小于3 300 m3/s時，屬正常行洪；當加積洪水位9.60 m、相應流量4 120 m3/s時，先行區(qū)范圍內(nèi)萬泉河達到平槽流量，開始預警；當加積洪水位達到10.70 m、相應流量6 000 m3/s時，相當于5年一遇洪水，為河道現(xiàn)狀防洪標準內(nèi)安全泄量。先行區(qū)范圍內(nèi)規(guī)劃按20 年一遇防洪標準修建堤防，相應河道安全泄量9 380 m3/s。

預泄階段，考慮下游防洪安全，采用加積斷面3 300 m3/s、6 000 m3/s 作為下游安全泄量。防洪調(diào)度階段，采用9 380 m3/s作為下游安全泄量。

3.2 調(diào)度方案擬定

以下游加積防洪控制斷面流量和水庫水位作為判別條件，考慮分級控泄、預泄等措施，水庫調(diào)度方式擬定原則見表3。擬定時設(shè)置各級流量、水位、泄量及預泄范圍，并考慮水庫調(diào)蓄、河道演進的作用，再聯(lián)合調(diào)算、分析、確定。

表3 水庫防洪調(diào)度方式擬定

3.2.1 調(diào)度方案初擬

通過試算，將加積50年一遇流量削減至9 380 m3/s，牛路嶺最低起調(diào)水位97.00 m，同時為了盡可能減少對水庫興利功能的影響，結(jié)合預泄，汛限水位可調(diào)整至101.00 m。故預泄水位變化區(qū)間設(shè)置為97.00～101.00 m。

根據(jù)工程條件和下游要求，考慮現(xiàn)狀汛限水位及預泄降低不同的幅度，綜合分析，篩選5個可行性較高的方案。

方案1：牛路嶺水庫、紅嶺水庫維持汛限水位105.00 m、167.00 m不變，調(diào)整泄流方式；

方案2：牛路嶺水庫維持汛限水位105.00 m不變，洪水前48 h內(nèi)預泄至101.00 m（預泄過程加積流量≤3 300 m3/s）；紅嶺水庫維持汛限水位167.00 m不變；調(diào)整泄流方式；

方案3：牛路嶺水庫汛限水位降至101.00 m，洪水前48 h內(nèi)預泄至97.00 m（預泄過程加積流量≤3 300 m3/s）；紅嶺水庫維持汛限水位167.00 m不變；調(diào)整泄流方式；

方案4：牛路嶺水庫維持汛限水位105.00 m不變，洪水前48 h內(nèi)預泄至99.00 m（預泄過程加積流量≤6 000 m3/s）；紅嶺水庫維持汛限水位167.00 m不變；調(diào)整泄流方式；

方案5：牛路嶺水庫汛限水位降至101.00 m，洪水前48 h內(nèi)預泄至97.00 m（預泄過程加積流量≤6 000 m3/s）；紅嶺水庫維持汛限水位167.00 m不變；調(diào)整泄流方式。

當不能滿足下游防洪要求時，考慮堤防加高或合口咀建閘、開辟新的分洪道等進一步削減洪水。其中，合口咀建閘方案改變了現(xiàn)有防洪工程體系構(gòu)成，增加一個河道控制節(jié)點和兩個洪水區(qū)間，需要對水庫、水閘等流域水工程進行聯(lián)合調(diào)度。萬泉河流域水工程防洪聯(lián)合調(diào)度模型系統(tǒng)進行概化，見圖1。

圖1 萬泉河流域水工程防洪聯(lián)合調(diào)度模型系統(tǒng)概化圖

結(jié)合萬泉河合口咀地形，為了減小居民密集區(qū)淹沒影響，規(guī)劃在乘坡河、大邊河匯流處選址建閘，初擬合口咀閘防洪調(diào)度方式見表4。

表4 合口咀閘防洪調(diào)度方式

3.2.2 計算方法與模型

按照擬定的調(diào)度方案，對防洪斷面不同典型年的設(shè)計洪水組成進行調(diào)節(jié)計算，計算模型結(jié)構(gòu)關(guān)系及過程表示見圖2。

圖2 水庫群防洪調(diào)度方案調(diào)整計算模型框架

模型計算時計入合口咀建閘對洪水進行調(diào)控，將水庫至加積一個區(qū)間洪水按面積比方法計算出合口咀上、下兩個區(qū)間，各種不同地區(qū)洪水組成洪水經(jīng)水庫調(diào)節(jié)后，演進到合口咀，與水庫至合口咀區(qū)間洪水疊加調(diào)控后，演進到加積，再與合口咀至加積區(qū)間洪水疊加得到加積設(shè)計洪水。

水庫調(diào)節(jié)、系統(tǒng)調(diào)節(jié)均滿足調(diào)度方式調(diào)整原則，綜合不同典型年洪水調(diào)節(jié)結(jié)果，提取了滿足各典型的調(diào)度運行方式，擬定的5個泄流方式和臨時降低汛限水位的組合方案，均可保證牛路嶺水庫、紅嶺水庫5年一遇水位、20年一遇水位、校核洪水位不超過原設(shè)計值，不影響水庫規(guī)模和防洪安全。

3.3 調(diào)度方案分析與選定

3.3.1 對興利影響分析

牛路嶺水庫死水位、正常蓄水位不變，洪水入庫前進行預泄，根據(jù)預泄調(diào)度各方案庫水位降落幅度，按每年發(fā)生3次，每次影響10 d計，計算減少的發(fā)電量，作為興利效益影響值。洪水過后及時蓄水至汛限水位，充分利用洪水資源，減少后期發(fā)電影響。

紅嶺水庫死水位、正常蓄水位、汛限水位均不變，興利效益不受影響。

遇50年一遇洪水時，萬泉河水庫群防洪聯(lián)合調(diào)度方案主要成果見表5。

表5 不同防洪聯(lián)合調(diào)度調(diào)整方案主要成果對比表

3.3.2 方案比較與選定

遇50年一遇洪水時，方案3、方案5可將加積洪峰直接削減至現(xiàn)狀20年一遇設(shè)計流量9 380 m3/s，滿足先行區(qū)防洪要求，流域不需新增防洪工程、不需協(xié)調(diào)征地移民；但牛路嶺水庫需降低汛限水位4.00 m，存在長期發(fā)電補償?shù)娜秉c。

方案1、方案2、方案4 可將加積洪峰削減至9 570～10 650 m3/s，仍大于9 380 m3/s，不能滿足先行區(qū)防洪要求；結(jié)合堤防加高、合口咀建閘以及分洪道開辟3 種工程措施后，方案1、方案2、方案4 均可將加積洪峰削減至9 380 m3/s。合口咀建閘無移民、征地少，但工程投資大、影響小，可作為遠期規(guī)劃工程；開辟分洪道線路長、占地大、使用率低，但投資及影響較大；加高堤防施工簡單、投資少，但占地協(xié)調(diào)難度大。

通過各方案的效果、投資及影響綜合比較，方案4 最優(yōu)。遇50年一遇洪水時，首先通過兩座水庫聯(lián)合調(diào)度將下游加積洪水削減至9 570 m3/s，再結(jié)合加積壩至入?？诙卧谠?guī)劃20 年一遇堤頂高程上加高0.08 m（摘自2019 年水利部水利水電規(guī)劃設(shè)計總院編制《水庫防洪聯(lián)合調(diào)度及工程方案研究報告》），即可滿足將先行區(qū)防洪標準由20年一遇提高到50年一遇。

根據(jù)歷年運行情況分析，牛路嶺水庫汛期實際運行水位較低，多年平均水位90.38 m，預泄階段水位調(diào)整至99.00 m 對其興利的實際影響不大。故綜合比較，方案4 作為研究成果的推薦方案。

依照牛路嶺水庫、紅嶺兩水庫優(yōu)化的防洪調(diào)度方式進行聯(lián)合調(diào)度，以加積為防洪控制斷面，可滿足流域、區(qū)域防洪目標。牛路嶺水庫維持汛限水位105.00 m 不變，洪水來臨前48 h內(nèi)預泄至99.00 m，按調(diào)整后泄流方式運用；紅嶺水庫維持汛限水位167.00 m 不變，按相應泄流方式運用。兩水庫防洪聯(lián)合調(diào)度推薦方案見表6。

表6 牛路嶺、紅嶺水庫防洪聯(lián)合調(diào)度推薦方案

4 結(jié) 論

本文結(jié)合萬泉河流域水庫工程實例，采用分級控泄、增設(shè)判別條件、預泄、汛限水位動態(tài)控制等方法研究水庫優(yōu)化調(diào)度及水庫群防洪聯(lián)合調(diào)度，合理布局流域防洪工程體系，結(jié)論如下：

（1）在保證牛路嶺、紅嶺水庫現(xiàn)有征遷、工程規(guī)模等不變的前提下，優(yōu)化精細化水庫群調(diào)度，可有效提高萬泉河下游保護對象的防洪標準，再結(jié)合堤防加高、合口咀建閘或分洪道開辟等工程措施，可將先行區(qū)防洪標準由20年一遇提高至50年一遇。

（2）綜合考慮萬泉河流域水文氣象特點、工程實際、防洪要求和流域水工程布局，以下游防洪控制斷面防洪標準或流量控制為約束條件，結(jié)合臺風預報，研究上游水庫群、閘等控制性水工程聯(lián)合調(diào)度規(guī)劃調(diào)節(jié)計算方法及防洪調(diào)度方式，為流域?qū)用鎻碗s地區(qū)洪水組合情況下的防洪規(guī)劃和調(diào)度給出有效的非工程措施治理思路，提出水庫群防洪聯(lián)合調(diào)度方案，進而挖掘了現(xiàn)有水庫的防洪潛力，體現(xiàn)了科學和精細調(diào)度運用的價值，對流域治理規(guī)劃合理布局、調(diào)整區(qū)域水利工程布局、減少工程建設(shè)投入、指導實際調(diào)度運用均有重要意義。